Photovoltaik Stromertrag

Kilowattstunde (kWh): Stromerzeugung einer PV-Anlage

Unter standardisierten Testbedingungen erzeugen Photovoltaikanlagen in Deutschland jährlich ca. 1.000 Kilowattstunden pro Kilowattpeak. Da diese Testbedingungen jedoch rein theoretischer Natur sind, weicht der tatsächliche Stromertrag mehr oder weniger davon ab. Wie groß diese Abweichungen sind, kann nicht pauschal gesagt, sondern muss detailliert betrachtet werden. Wir zeigen alle Faktoren auf, die den Ertrag beeinflussen. Anschließend stellen wir zwei Modelle vor, um den spezifischen Ertrag einer PV-Anlage zu berechnen – ganz formal und an einem Beispiel.

Die Einheit Kilowattstunde einfach erklärt

Die Maßeinheit Kilowattstunde (kWh) bezeichnet die Energie. Übertragen auf eine Photovoltaikanlage ist dies der erzeugte Strom bzw. der Stromertrag. Per definitionem entspricht eine Wattstunde der Energie, welche ein System mit einer Leistung von 1 Watt in einer Stunde aufnimmt oder abgibt. Eine leuchtende 12-W-LED-Glühbirne setzt in einer Stunde also 12 Wh um. Mit Messeinrichtungen erfasste Strom- und Heizwärmekosten werden mit dem Tausendfachen, der Kilowattstunde, abgerechnet.

Nicht zu verwechseln ist die Energieleistung mit der Spitzenleistung:

• Die Spitzenleistung, auch Nennleistung oder installierte Leistung, bezeichnet die Leistung, die eine PV-Anlage unter standardisierten (Ideal-)Bedingungen erbringen kann. Sie wird in der Einheit Kilowatt-Peak (kWp) angegeben.
• Die in Kilowattstunden (kWh) angegebene Energieleistung bezeichnet die unter realen Bedingungen tatsächlich von der PV-Anlage erbrachte Leistung. Diese wird durch mehrere Faktoren beeinflusst und weicht meistens deutlich von der Nennleistung ab.
• Setzt man beide Faktoren in Relation, kommt der spezifische Ertrag dabei heraus: Kilowattstunden pro Kilowatt-Peak (kWh/kWp). Je höher dieser Wert liegt, desto größer ist auch die Rendite.

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Faktoren, die den Ertrag beeinflussen

Die Testbedingungen – 1.000 Watt Strahlung bei nahezu senkrechtem „Sonnenstand“ sowie 25 Grad Celsius Zelltemperatur – haben zwar einen entscheidenden Vorteil: Sie gestatten es, unterschiedliche Solarmodule miteinander zu vergleichen. Dennoch wird die theoretisch angenommene Angabe Kilowatt-Peak selten erreicht. Dies liegt an den vielfältigen Einflussfaktoren:

Standortbedingungen

• Globalstrahlung: Der Deutsche Wetterdienst DWD ermittelt stets die aktuellen Daten. Besonders aussagekräftig sind die 30-Jahres-Karten mit den mittleren Jahressummen. Für den Zeitraum 1991 – 2020 lag die Globalstrahlung je nach Region zwischen 975 und 1.259 kWh/m². Im Durchschnitt wurde ein Wert von 1.086 kWh/m² erreicht. Die innerdeutschen Unterschiede sind farbig markiert. Erfasst werden stets sowohl die direkte als auch die indirekte Strahlung.
• Ausrichtung und Neigung des Daches: Optimum ist eine 100-prozentige Süd-Ausrichtung und ein Neigungswinkel zwischen 30° und 40°. Leichte Abweichungen wirken sich jedoch allenfalls mäßig aus. Stärkere Abweichungen können mit Hilfsmitteln optimiert
• Verschattung: Schatten ist ein „No-go“! Da die Module in Strängen geschaltet sind, wirkt sich jeder Kernschatten ertragsmindernd aus. Verschattungen einzelner Solarzellen wie z.B. durch Vogelkot sind dagegen kein Problem, denn sie werden durch eingebaute Bypass-Dioden Beispiele für schattenwerfende Objekte sind Nachbargebäude, Bäume, Bodenerhebungen, aber auch Dachgauben, Satellitenschüsseln und Schornsteine.

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Leistung der Photovoltaikanlage

• Modulart: Die Leistung eines PV-Moduls wird durch dessen Wirkungsgrad definiert. Bei 5 gängigen Solarmodul-Typen lohnt es sich, die Unterschiede genauer zu betrachten. Dabei stellt sich der Wirkungsgrad oftmals nicht als einziges Entscheidungskriterium heraus.
• Anlagengröße: Natürlich bringt eine größere Anlage auch einen größeren Ertrag. Doch Strom für die Einspeisung ins öffentliche Netz zu produzieren, ist wenig bis gar nicht lukrativ. Im Idealfall wird die gesamte Stromproduktion selbst verbraucht. Die Verbraucherzentrale NRW empfiehlt, die ganze Dachfläche zu belegen. Nur von Anlagen zwischen 10 und 12 kWp Spitzenleistung rät sie ab.

Wechselnder Sonnenstand

Anders als die Wetterlage ist der tages- und jahreszeitbedingte Sonnenstand kalkulierbar – und mit ihm die Schwankungen im Ertrag. Bei der täglichen Veränderung werden Tagesgang und Jahresgang der Sonne unterschieden:

• Tagesgang: Die uns geläufigen Begriffe Sonnenaufgang und Sonnenuntergang markieren den Anfang und das Ende des Tagbogens. Dieser ständige Wechsel des Sonnenstandes beeinflusst den stündlichen Ertrag. Das Problem dabei: Der Stromverbrauch ist meistens dann am höchsten, wenn die PV-Anlage am wenigsten Strom produziert: am Abend und am Morgen. Problemlöser kann hier die Anschaffung eines Stromspeichers

• Jahresgang: Es ist klar, dass bei schlechtem Wetter oder kürzerer Sonnenscheindauer im Winter weniger Ertrag mit der Photovoltaikanlage erzielt werden kann als bei strahlendem Sonnenschein oder besonders langer Sonnenscheindauer im späten Frühjahr und im Frühsommer. Mit anderen Worten: Das Angebot an solarer Strahlung verändert sich im Laufe des Jahres immer wieder. Und damit auch der Ertrag. Es gibt Datenbanken, die den Jahresgang für bestimmte Orte darstellen.

Berechnung des Stromertrags

Um den jährlichen Stromertrag zu berechnen, können mehrere Modelle angewendet werden. Bereithalten sollte man folgende, je nach Berechnungsmodell notwendige Daten:

• Jährliche Globalstrahlungssumme am Standort [kWh/m²]: Diese lässt sich von sogenannten Solaratlanten z.B. des Deutschen Wetterdienstes ablesen.
• Jährliche Stromerzeugung am Standort [kWh/kWp]. Diese basiert zwar auf der Globalstrahlungssumme [kWh/m²], berücksichtigt jedoch zudem einige systembedingte Verluste. Ist bereits eine Anlage installiert, kann die Stromerzeugung am Stromzähler (Einspeisezähler, Eigenverbrauchszähler) abgelesen werden. Wenn nicht, hilft ein Trick, den wir etwas weiter unten vorstellen
• Einstrahlungssituation, d.h. Dachneigung und -ausrichtung. Diese Angaben ergeben den Anlagen- oder Flächenfaktor f. Üblicher ist allerdings die 100-Prozent-Norm für die optimale Situation (je nach Standort unterschiedlich, in Deutschland meist jedoch 35° Dachneigung; optimaler Azimut ist immer 0° für Süden) – und entsprechende Werte für die Abweichungen. Hierfür sind Tabellen im Internet abrufbar. Wir nennen sie im Folgenden Neigungswinkel-Tabelle, die Werte Neigungsfaktor.

• Maximale Anlagenleistung [kWp] wie im Produktblatt angegeben.
• Wirkungsgrad: Bei den meistverkauften monokristallinen Modulen variiert der Wirkungsgrad zwischen 18 und 22 Prozent.
• Fläche der Anlage: Bei monokristallinen Modulen ist von 5-7 m² pro kWp Anlagenleistung auszugehen.

Ergänzt wird jeweils auch die Berechnung des spezifischen Ertrags. Er hat sich als sinnvollste Maßeinheit für die von PV-Anlagen erzeugte Energie durchgesetzt. Sein Vorteil: Die Angabe „pro Kilowattpeak“ erlaubt den Vergleich unterschiedlich großer Anlagen.

Berechnung über die Modulfläche

Das einfachste Modell ist zwar nicht ganz so genau, dafür aber in Minuten erstellt.

Etwas genauer wird die Berechnung unter Berücksichtigung von Ausrichtung und Neigung der Modulfläche sowie der Systemverluste.

Berechnung über die Nennleistung

Für das zweite Modell muss zunächst die Stromerzeugung am Standort bekannt sein. Deren Berechnung ist kompliziert, weshalb am einfachsten von einem etwas reduzierten Wert der Jahresglobalstrahlung ausgegangen wird. Erfahrungsgemäß ist ein Faktor von 0,95 ideal.

Dieses Modell berücksichtigt neben dem Neigungsfaktor auch die Systemverluste.

Berechnung des Stromertrags an einem Beispiel

In unserem Beispiel berechnet Familie Schmidt den spezifischen Ertrag für eine geplante PV-Anlage mit Monokristallin-Modulen. Damit sich eine Gewinnermittlung erübrigt, soll die Anlage 10 kWp Spitzenleistung nicht überschreiten. Das Dach ist 45° nach Südwesten ausgerichtet und um 40° geneigt. In der Tabelle für die Abweichungen finden die Schmidts den Neigungsfaktor 93,3 %. Für den Standort Berlin verheißt der Solaratlas eine durchschnittliche Jahresglobalstrahlungssumme von 1.010 kWh/m². Die beiden Modelle führen zu folgenden Ergebnissen:

Frau Schmidt geht von einem mittleren Wirkungsgrad der Module und von 6 m² Dachfläche pro Kilowattpeak aus und kommt bei Rechenmodell 1 auf folgenden Wert:

Das sieht fantastisch aus, aber es fehlen ja auch noch die Verluste: Für den nicht ganz so optimalen Standort wird zuerst der Faktor 0,933 fällig, macht 1.131 kWh/kWp. Dann muss noch der Systemverlust von i. M. 14 % einkalkuliert werden. Das Ergebnis: 973 kWh/kWp.

Herr Schmidt wendet für Modell 2 die empfohlene Faktor-0,95-Regel für die Stromerzeugung an:

Da beide Rechenmodelle nur Näherungswerte ergeben, möchte das Ehepaar Schmidt noch auf Nummer sicher gehen und die Ergebnisse überprüfen. Deshalb rufen sie das Internettool PVGIS der Europäischen Kommission auf und geben ihre Daten ein. Das Ergebnis deckt sich fast 100-prozentig mit dem des ersten Rechenmodells – es liegt bei 977 kWh/kWp.

Den Eheleuten ist bewusst, dass diese Werte nur bei verschattungfreien und sorgfältig gereinigten Modulen erreicht werden können. Da ihr Hausdach groß genug ist, planen sie nun die Anschaffung einer 9-kWp-Anlage. Der zu erwartende Ertrag von ca. 8.500 kWh pro Jahr ist für ihren Bedarf optimal, die staatlich festgelegte Obergrenze für die Vereinfachungsregelung unterschritten.

Fazit

Zum Glück gibt es im Internet eine Reihe von Ertragsrechnern, die alle wichtigen Faktoren bei der Berechnung des Energieertrags berücksichtigen. Mit ihnen lässt sich in wenigen Sekunden eine Ertragsprognose erstellen. Bei erweiterten Photovoltaik-Rechnern werden neben dem Standort der PV-Anlage (Postleitzahl des Ortes) und der Fläche, Neigung und Ausrichtung des Daches auch die Nutzungsgewohnheit und der jährliche Stromverbrauch in die Felder eingetragen. Diese Rechner ermitteln zudem die Wirtschaftlichkeit bei einer optimalen Modulanzahl. Auf einen Blick wird erkennbar, ob sich die geplante Investition lohnt.

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